DE69120945T2 - VERFAHREN UND APPARAT ZUR HERSTELLUNG EINES SUPRALEITENDEN Nb3-Al DRAHTES - Google Patents

VERFAHREN UND APPARAT ZUR HERSTELLUNG EINES SUPRALEITENDEN Nb3-Al DRAHTES

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht und, genauer gesagt, ein Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetisch stabilen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht, der eine hohe Stromdichte bei dem hohen Niveau eines Magnetfelds, wie 20 Tesla, aufweist und mit einen Stabilisierungsmaterial beschichtet ist, sowie eine Vorrichtung zum Herstellen solch eines Nb&sub3;Al- Supraleitungsdrahts.
  • Stand der Technik
  • Wie in Applied Physics Letter 52(20), 16. Mai 1988, 5. 1724- 1725, offenbart, wurde einer der herkömmlichen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrähte durch Kaltziehen einer Zusammensetzung hergestellt, die aus einer Nb-Matrix und einer großen Anzahl von Al-Legierungskernen besteht, in einen Draht, der sehr feine, viele Kerne aufweist, und dann durch Wärmebehandlung des kaltgezogenen Drähts bei einer Temperatur in einem Bereich von 750 bis 950ºC, um einen Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht zu erhalten (als Zusammensetzbildungsverfahren bezeichnet).
  • Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 29017/87 offenbart einen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht, der durch Mischen von Nb- und Al-Pudern, Formen der Mischung in einen Draht, Bestrahlen des gebildeten Drahts mit einem Elektronenstrahl und Wärnebehandeln des bestrahlten Drahts bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 bis 1000ºC hergestellt wird, um einen endgültigen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht zu erhalten (als Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren bezeichnet).
  • Das oben beschriebene Zusammensetzbildungsverfahren hat mehre re Nachteile, d.h., ein Stabilisierungsmetall, wie Cu oder Al, kann nicht mit einer Matrix kompoundiert werden; eine stöchiometrische Zusammensetzung von Nb&sub3;Al kann nicht erhalten werden, wenn nicht ein sehr feines Filament mit einem Durchmesser von weniger als 1 um hergestellt wird; der so hergestellte Nb&sub3;Al- Multifaserdraht hat eine relativ niedrige kritische Temperatur und ein kritisches Magnetfeld; und die Dichte des kritischen Stroms fällt bei einem hohen Niveau des Magnetfelds, wie 20 Tesla, stark ab.
  • Das oben beschriebene Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren kann keinen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht liefern, der eine elektromagnetisch stabile Mehrfaserdrahtstruktur aufweist.
  • US-A-3,710,844 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines stabilisierten, supraleitenden Nb&sub3;Al- Drahts, wobei ein supraleitender Nb&sub3;Al-Draht in ein geschmolzenes Metall eingetaucht wird, wodurch der Draht mit dem Metall beschichtet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetisch stabilen Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht zu liefern, der eine hohe Stromdichte bei einem hohen Niveau eines magnetischen Felds, wie 20 Tesla, aufweist und mit einem elektromagnetischen Stabilisierungsmaterial beschichtet ist; und eine Vorrichtung zum Herstellen solch eines elektromagnetisch stabilen Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht zu liefern.
  • Nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht geliefert, das die Schritte des Kaltziehens einer Zusammensetzung, die aus einem Al- oder Al-Legierungskernmaterial und einer Nb-Matrix besteht, in einen zusammengesetzten Mehrkerndraht umfaßt, wobei der kaltgezogene, zusammengesetzte Mehrkerndraht in ein geschmolzenes Metall zur Wärmebehandlung des Drahts eingetaucht wird, um eine stöchiometrische Zusammensetzung von Nb&sub3;Al zu erhalten und das geschmolzene Metall um den zusammengesetzten Mehrkerndraht zum Bilden einer elektromagnetisch stabilisierenden Metallbeschichtung auf den Umfang des supraleitenden Materials zu beschichten. Jeder der Al- oder Al-Legierungskerndrähte des kaltgezogenen, zusammengesetzten Mehrkerndrahts weist einen Durchmesser oder eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,1 bis 10 µm auf, und das geschmolzene Metall besteht aus Cu, einer Cu-Legierung, Ag oder einer Ag-Legierung.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, den Umfang des Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht mit einem elektromagnetisch stabilisierenden Metall durch Eintauchen eines kaltgezogenen, zusammengesetzten Mehrkerndrahts, der aus einer großen Anzahl von Al-Legierungskerndrähten und einer Nb-Matrix besteht, in ein Schmelzmetallbad, wie auf eine Temperatur von höher als 1200ºC aufgeheiztes Cu oder eine Cu-Legierung, Ag oder eine Ag-Legierung zum Beschichten des zusammengesetzten Drahts, durch schnelles Kühlen des beschichteten, zusammengesetzten Drahts, und dann durch Wärmebehandlung des gekühlten, zusammengesetzten Drahts bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 700 bis ungefähr 950ºC zu beschichten.
  • Es ist auch bevorzugt, die Dichte des kritischen Stroms des Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrahts bei dem hohen Magnetfeld durch Kaltziehen einer großen Anzahl von Al-Legierungskernmaterialien in feine Drähte innerhalb des Bereichs, in den kein Eigenkapazitätseffekt induziert wird, durchaufheizen der feinen Drähte auf eine Temperatur von höher 1200ºC, dann durch schnelles Abkühlen und danach durch Wärmebehandlung derselben bei einer Temperatur in einen Bereich von ungefähr 700 bis ungefähr 950ºC zu erhöhen.
  • Ferner ist es bevorzugt, eine Anzahl von zusammengesetzten Mehrkerndrähten, die mit einem elektromagnetisch stabilisierenden Metall beschichtet sind, zusammenzubauen, um sie zum Bereitstellen eines elektromagnetisch stabilen Nb&sub3;Al-Supraleitungsmaterials für eine hohe Stronkapazität zu integrieren oder zu verflechten.
  • Bei dem Verfahren der gegenwärtigen Erfindung kann ein langer Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht mit einer hohen Genauigkeit ökonomisch durch Eintauchen eines langen, zusammengesetzten Mehrkerndrahts, der aus einer großen Anzahl von Al-Legierungskernmatenahen und einer Nb-Matrix besteht, in ein geschmolzenes Metallbad, das auf einer vorherbestimmten Temperatur unter einer inerten Gasatmosphäre von 0,1013 bar (0,1 oder mehr Atmosphärendruck) gehalten wird, hergestellt werden.
  • Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung stellt eine Vorrichtung dar, die in den oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrahts verwendet wird, wobei eine Spule zum Abwickeln eines zusammengesetzten Mehrkerndrahts, eine Spule zum Aufwickeln des abgewickelten, zusammengesetzten Mehrkerndrahts und Führungsrollen zum Führen des zusammengesetzten Mehrkerndrahts innerhalb einer Dichtkammer, die ein Zufühmittel für ein inertes Gas und eine Vakuumpumpe aufweist, bereitgestellt werden, und worin ein Bad für ein geschmolzenes Metall und ein Kühlbad nacheinander zwischen besagten Führungsrollen angeordnet sind.
  • Die gegenwärtige Erfindung kann den Umfang eines Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrahts innig mit einem elektromagnetisch stabilisierenden Metall durch Eintauchen eines zusammengesetzten Mehrkerndrahts, der aus einer großen Anzahl von Al-Kerndrähten und einer Nb&sub3;-Matrix besteht, in ein geschmolzenes Metall, wie Cu, eine Cu-Legierung, Ag oder eine Al-Legierung, das auf einer Temperatur höher als 1200ºC gehalten wird, beschichten. Dieses Verfahren kann die Wärmebehandlung, die zum Bilden einer stöchiometrischen Zusammensetzung von Nb&sub3;Al vonnöten ist, und die Beschichtung des elektromagnetisch stabilisierenden Metalls simultan erreichen. Obwohl ein Teil der Matrix Nb in das geschmolzene cu, das bei 1200ºC oder höheren Temperaturen gehalten wird, rausgezogen werden kann, kann die Elution von Nb aus der Matrix durch Herstellen einer festen Lösung aus Nb mit Cu verhindert werden. Ag kann nicht eine feste Lösung mit Nb bei Temperaturen in einem Bereich von 1400 bis 1700ºC bilden, und daher wird die Matrix Nb nicht in das geschmolzene Ag herausgelöst. Auf der anderen Seite weist cu, eine Cu-Legierung, Ag oder eine Ag-Legierung einen hohen Dampfdruck bei hohen Temperaturen auf und ist daher anfällig dafür, zu verdampfen. Dies kann dadurch gehemmt werden, daß solch ein geschmolzenes Metall unter einer inerten Gasatmosphäre bei 0,1013 bar (0,1 oder mehr Atmosphärendruck) gehalten wird. Wenn die Reaktion des geschmolzenen Metalls mit der Nb-Matrix unvermeidbar ist, ist es eine effektive Methode, die Oberfläche der Nb-Matrix mit Keramiken oder anderen Metallen als Nb, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und nicht mit Nb und dem geschmolzenen Metall reagieren, zuvor zu beschichten. Auf jeden Fall kann ein exzellenter Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht, der mit dem Stabihsierungsmetall beschichtet ist, durch Beschichten des zusammengesetzten Mehrkerndrahts mit dem Stabilisierungsmetall, durch schnelles Kühlen des beschichteten Drahts und danach durch Wärmebehandlung des gekühlten Drahts erhalten werden. Selbst wenn solch ein beschichtetes Stabilisierungsnetall eine Cu-Nb-Legierung ist, ist Nb ein wenig in Cu bei Temperaturen von 700 bis 950ºC eingeschlossen, und daher ist Nb aus der Cu- Nb-Legierungslage auskristallisiert, und die Beschichtungslage führt zu Cu, das einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, wodurch die Funktions als ein elektromagnetisch stabilisierendes Material aufrechterhalten wird.
  • Wenn der zusammengesetzte Mehrkerndraht reicher an Nb als eine stöchiometrische Zusammensetzung ist, kann eine übersättigte feste Lösung aus Nb-Al, die reich an Nb ist und eine kubischraumzentrierte Struktur aufweist, auf Zimmertemperatur durch Aufheizen der festen Lösung auf Temperaturen höher als 1200ºC und rasches Kühlen auf Zimmertemperatur gebracht werden. Da diese übersättigte, feste Lösung aus Nb-Al relativ gut bearbeitbar ist, kann sie einen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht liefern, der die hohe kritische Stromdichte durch Aufwärmen der festen Lösung auf Temperaturen in einem Bereich von 700 bis 950ºC nach plastischer Deformation derselben aufweist, um der Nb&sub3;Al- Phase von feinen Kristallen zu erlauben, sich aus der Matrix abzuscheiden.
  • Unter Berücksichtigung des Eigenkapazitätseffekts, der in herkömmlichen Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht beobachtet wird, kann die gegenwärtige Erfindung einen Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht liefern, der eine hohe kritische Temperatur bei einem hohen kritischen Magnetfeld dadurch liefern, daß der Abstand zwischen den Al-Legierungskerndrähten in den Bereich kleingemacht wird, in dem der Eigenkapazitätseffekt nicht auftritt, und das Hochtemperaturwärmebehandeln, schnelle Kühlen und relativ schwache Wärmebehandeln, wie oben beschrieben, kombiniert werden. In einem Fall des Nb&sub3;Al-Mehrfaserdrahts ist der kritische Durchmesser der Kerndrähte, der den Eigenkapazitätseffekt initiiert, 0,1 um oder weniger. Das Ziel der gegenwärtigen Erfindung kann dadurch erreicht werden, daß der Durchmesser der Kerndrähte 0,1 um oder mehr gemacht wird. Es ist auch vonnöten, den Kerndraht mit einen Durchmesser von 10 um oder weniger herzustellen, um einen elektromagnetisch stabilen Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht zu liefern.
  • Die gegenwärtige Erfindung kann einen elektromagnetisch stabilen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht für eine große Stromkapazität durch Zusammenbauen einer Anzahl von Al-Legierungsmehrkerndrähten Nb-Matrix-Zusammensetzdrähten, die mit einem elektromagnetisch stabilisierten Metall beschichtet sind, zum Integrieren oder Verdrillen derselben, liefern. Dies ist der Aufbau eines Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrahts, der zum ersten Mal durch Beschichten des Umfangs des Nb&sub3;Al-Kerndrähte/Nb-Matrix- Zusammensetzdrahts mit einen eletromagnetisch stabilisierenden Metall bereitgestellt ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Herstellungsschritte eines Nb&sub3;Al-Mehrfaserdrahts nach der gegenwärtigen Erfindung zeigt;
  • Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Herstellungsschritte eines Nb&sub3;Al-Mehrfaserdrahts nach einen herkömmlichen Verfahren zeigt;
  • Fig. 3 zeigt Kurven für Nb&sub3;Al-Mehrfaserdrähte, die nach der gegenwärtigen Erfindung oder einem herkömmlichen Verfahren hergestellt worden sind, bei denen die Dichte des kritischen Stroms gegen das angelegte Magnetfeld bei 4,2 Kelvin dargestellt sind;
  • Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht von sieben verflechteten Nb&sub3;Al-Supraleitungs drähten;
  • Fig. 5 ist eine Strom-Spannungs-Kurve eines Nb&sub3;Al-Mehrfaserdrahts nach der gegenwärtigen Erfindung; und
  • Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Herstellen von Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrähten nach der gegenwärtigen Erfindung.
  • Beste Ausführungsart der Erfindung
  • Nunmehr wird sich auf die Zeichnungen bezogen und werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, in Vergleich mit herkömmlichen Verfahren. Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Herstellungsschritte eines Nb&sub3;Al- Mehrfaserdrahts nach der gegenwärtigen Erfindung zeigt. Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Herstellungsschritte eines Nb&sub3;Al-Mehrfaserdrahts nach dem herkömmlichen Verfahren zeigt. Ein Al-Kernmaterial wird mit einen Nb-Rohr verbunden, um die Zusammensetzung in einen feinen Draht zu ziehen. Der Herstellungsprozess für den Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht umfaßt die Schritte des Kombinierens eines Al-Kernmaterials mit einen Nb&sub3;-Rohr, Ziehens der Verbindung in einen zusammengesetzten, feinen Einkerndraht, Wiederverbindens einer großen Anzahl von den gezogenen, zusammengesetzten, feinen Einkerndrähten mit einen Nb- Rohr und Ziehens der Zusammensetzung in einen zusammengesetzten, feinen Mehrkerndraht. Diese Schritte werden sowohl bei der gegenwärtigen Erfindung als auch den herkömmlichen Verfahren verwendet. Bei den herkömmlichen Verfahren wird eine große Anzahl von den zusammengesetzten Mehrkerndrähten ferner mit einem Nb-Rohr verbunden und die Verbindung in einen feinen, zusammengesetzten Mehrkerndraht gezogen, und diese Schritte werden solange wiederholt, bis ein Al-Legierungskerndraht mit einem Durchmesser von 0,1 pm erhalten werden kann. Jedoch kann die gegenwärtige Erfindung, selbst wenn der Durchmesser des Al-Kerndrahts einige um beträgt, eine ausreichende elektromagnetische Eigenschaft des Endprodukts erhalten. Dies kommt daher, daß eine Phase des Nb&sub3;Al, die bei hohen Temperaturen stabil ist, auf Zimmertenperature gebracht werden kann durch Herstellen einer übersättigten festen Lösung aus stöchiometrischen Nb&sub3;al oder mit einem höheren Nb-Anteil und durch schnelles Kühlen der festen Lösung. Ferner, wenn der schnell gekühlte, zusammengesetzte Mehrkerndraht eine feste Lösung ist, die reicher an Nb als Nb&sub3;al ist, kann weiteres Ziehen des Mehrkerndrahts zu einem feinen Draht oder Zusammenbauen einer Anzahl der zusammengesetzten feinen Drähte, um diese zu integrieren oder zu verdrillen, durchgeführt werden. Schließlich kann ein elektromagne tisch stabiler Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht, der mit einem elektromagnetisch stabilisierenden Metall beschichtet ist und eine hohe Stromdichte bei einem hohen Magnetfeld aufweist, durch Aufheizen des zusammengesetzten Mehrkerndrahts in der Endabmessung auf eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 700 bis 950ºC und Durchführen von Unordnung und Verfeinerung von Nb&sub3;Al-Kristallen erhalten werden.
  • Beispiel 1
  • Ein zusammengesetzter Einkerndraht wurde durch Einfügen eines Al-5 Atomprozent Mg-Legierungsstabs mit einem Durchmesser von 5,0 mm in ein Nb-Rohr mit einem Innendurchmesser von 7,0 mm und einem Außendurchmesser von 11,0 mm und Kaltziehen der resultierenden Zusammensetzung in einen Draht mit einem Außendurchmesser von 1,0 mm bei Raumtemperatur hergestellt. Der zusammengesetzte Einkerndraht mit einem Durchmesser von 1,0 mm wurde dann in kurze Stücke geschnitten und die gebündelten 331 kurzgeschnittenen Einkerndrähte wurden in ein Nb-Rohr mit einem Innendurchmesser von 21,5 mm und einem Außendurchmesser von 25,5 mm gepackt und dann in einen Draht mit einem Außendurchmesser von 0,22 mm bei Raumtemperatur gezogen, um einen zusammengesetzten Mehrkerndraht zu liefern. Zu diesem Zeitpunkt hat jeder der kaltgezogenen Al-5 Atomprozent Mg-Kerndrähte einen Durchmesser von ungefähr 5 um. Dann wurde dieser zusammengesetzte Mehrkerndraht in ein Bad aus geschmolzenem Silber eingefügt, das auf eine Temperatur von 1700ºC aufgeheizt war, um das Silber unter einer Argongasatmosphäre von 1,013 bar (1 Atmosphärendruck) für 10 Minuten zum Überziehen des zusammengesetzten Mehrkerndrahts mit der Silberbeschichtung in einer Dicke von 50 um zu schmelzen, und der mit Silber überzogene, zusammengesetzte Mehrkerndraht wurde auf Zimmertemperatur abgekühlt. Danach wurde er unter Vakuum auf 850ºC für 50 Stunden aufgeheizt, um einen Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht, der mit der Silberbeschichtung überzogen ist, zu erhalten.
  • Als nächstes wurden Proben aus diesem Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht herausgeschnitten und ihre kritische Temperatur Tc und der kritische elektrische Widerstand der Matrix bei einer Temperatur gerade oberhalb der kritischen Temperatur durch Temperaturänderungen unter Einsatz einer Widerstandsmethode gemessen. Diese Proben zeigten ein TC von 17,9 K an den Mittelpunkt und einen spezifischen Matrixwiderstand von 1,6 x 10&supmin;&sup8; Ohm cm. Herkömmlicher Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht hat ein Tc von 15,6 K und einen spezifischen Matrixwiderstand von 5,0 x 10&supmin;&sup7; Ohm cm, und daher ist der gegenwärtige Mehrfaserdraht um 2,3 K für Tc bzw. 1/30 für den spezifischen Matrixwiderstand gegenüber den herkömmlichen Drähten überlegen. Ihre kritischen Ströme wurden auch durch Veränderung des elektrischen Feldes bei 4,2 K gemessen, und die Resultate sind in Fig. 3 dargestellt. Der kritische Strom IC ist als der Strom an einem Punkt des Erzeugens eines elektrischen Feldes von 1 µV/cm und die Dichte des kritischen Stroms als IC/S definiert, wobei 5 der komplette Querschnittsbereich ist, außer für ein Stabilisierungsmaterial. Fig. 3 zeigt Kurven der Dichte des kritischen Stroms als Funktion des Magnetfelds, und Kurve 1 ist für den nach diesem Beispiel 1 hergestellten Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht, und Kurve 4 ist für den durch das herkömmliche Zusammensetzbildungsverfahren hergestellten Draht. Es ist aus Fig. 3 offensichtlich, daß das gegenwärtige Verfahren einen Nb&sub3;Al-Mehrfaserdraht liefern kann, der eine höhere Dichte des kritischen Stroms über den kompletten Bereich von Magnetfeldern von höher als 10 Tesla, und genauer gesagt, in den Bereich oberhalb von 15 Tesla, als bei einem herkömmlichen Verfahren aufweist, wobei er, beispielsweise, eine Dichte des kritischen Stroms hat, die 100-mal höher liegt als die eines herkömmlichen Drahts.
  • Beispiel 2
  • Ahnlich bei Beispiel 2, wurde ein zusammengesetzter Einkerndraht und ein zusammengesetzter Mehrkerndraht hergestellt, und schließlich wurde ein zusammengesetzter Mehrkerndraht hergestellt, der aus 109.561 Al-5 Atonprozent Mg-Kernen mit jeweils einen Durchmesser von 1 µm und einer Nb-Matrix besteht und einen Durchmesser von 1 mm aufweist. Dann wurde dieser zusammengesetzte Mehrkerndraht in ein Cu-10 Atonprozent Nb-Bad eingetaucht, das auf 1400ºC aufgeheizt war, um unter einer Argongasatmosphäre von 133,3 m bar (100 Torr) für 10 Minuten zu schmelzen, um den zusammengesetzten Mehrkerndraht mit der Cu- Nb-Legierungsbeschichtung in einer Dicke von 1 mm zu überziehen, und dann wurde der überzogene Draht rasch auf Zimmertemperatur abgekühlt. Danach wurde der gekühlte Draht für 50 Stunden auf 850ºC unter Vakuumatmosphäre aufgeheizt, um einen kupferüberzogenen, sehr feinen Nb&sub3;Al-Mehrkernsupraleitungsdraht zu erhalten.
  • Die kritische Temperatur und die Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld der Proben und der elektrische Widerstand der Matrix der Proben wurden auf ähnliche Weise wie bei Beispiel 1 gemessen. Die Proben zeigten eine kritische Temperatur von 17,3 K, die ein wenig niedriger als die des Beispiels 1 ist, und einen spezifischen Matrixwiderstand von 1,1 x 10&supmin;&sup8; Ohm cm, der dem von Beispiel 1 überlegen ist. Die Kurve der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld dieses Beispiels ist in Fig. 3 gezeigt. Die Dichte des kritischen Stroms dieses Beispiels, die durch Kurve 2 gezeigt ist, ist bemerkenswert verbessert im Vergleich zu der Probe, die in einem herkömmlichen Verfahren hergestellt und durch Kurve 4 gezeigt ist, sie ist aber ein wenig niedriger als die von Beispiel 1 in einem Magnetfeldbereich oberhalb von 17 T. Dies scheint daran zu liegen, daß die Probe von Beispiel 2 bei solch einer niedrigen Temperatur wie 1400ºC, im Vergleich zu 1700ºC von Beispiel 1, wärmebehandelt wurde. Jedoch hat dieser Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht eine hohe Stromdichte, die praktischer Verwendung bei einem Magnetfeld unterhalb von 20 T standhalten kann und stabile elektromagnetische Eigenschaften aufweist.
  • Beispiel 3
  • Um einen zusammengesetzten Mehrkerndraht aus einer Nb-Al-übersättigten, festen Lösung, die reicher an Nb als Nb&sub3;Al ist, herzustellen, wurde ein zusammengesetzter Einkerndraht, der ein Querschnittsverhältnis eines Al-5 Atomprozent Mg-Kernmaterials zu einer Nb-Matrix aufweist, das sich von dem von Beispiel 1 unterscheidet, präpariert. D.h., zuerst wurde ein zusammengesetzter Einkerndraht durch Einführen eines Al-5 Atomprozent Mg-Legierungsstabs mit einen Durchmesser von 5,5 mm in ein Nb- Rohr mit dem Innendurchmesser von 11,0 mm und dem Außendurchmesser von 6,0 mm eingefügt und die Zusammensetzung in einen Draht kaltgezogen, der einen Außendurchmesser von 1,0 mm aufweist, bei Zimmertemperatur.
  • Als nächstes wurden, ähnlich wie bei dem Verfahren für Beispiel 1, die gebündelten 331 zusammengesetzten Einkerndrähte in ein Nb-Rohr gepackt, und die Zusammensetzung wurde in einen zusammengesetzten Mehrkerndraht mit einem Durchmesser von 0,2 mm gezogen, umfassend die Mehrkerndrähte mit jeweils einem Durchmesser von 4 um Dann wurde dieser kaltgezogene, zusammengesetzte Mehrkerndraht in ein Bad aus geschmolzenem Silber eingetaucht, das auf 1700ºC für 10 Minuten unter Argongasatmosphäre bei einem Atmosphärendruck zum Überziehen des zusammengesetzten Mehrkerndrahts mit einer Silberbeschichtung in einer Dicke von 50 um geschmolzen, und der überzogene Draht wurde schnell auf Zimmertemperatur abgekühlt. Schließlich wurde der mit Silber überzogene, zusammengesetzte Mehrkerndraht, der einen Außendurchmesser von 0,3 mm hat, in einen Draht kaltgezogen, der einen Außendurchmesser von 0,2 mm hat, bei Zimmertemperatur. Dieses Kaltziehen oder plastische Deformieren konnte durchgeführt werden, da das Kernmaterial des zusammengesetzten Mehrkerndrahts eine Nb&sub3;Al-übersättigte, feste Lösung anstelle einer intermetallischen Verbindung des A-15-Typs wurde. Danach wurde der mit Silber überzogene, zusammengesetzte Mehrkerndraht bei 850ºC für 10 Stunden unter Vakuum zum Abscheiden einer Nb&sub3;Al-intermetallischer Verbindung aus der Nb- Al-übersättigten, festen Lösung erhitzt, um den mit Silber überzogenen Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht zu erhalten.
  • Ahnlich wie bei den Beispielen 1 und 2 wurde die kritische Temperatur und die Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld der Proben und der elektrische Widerstand der Matrix gemessen, und ähnliche Resultate wie für das Beispiel 1 wurden erhalten, beispielsweise, ist die kritische Temperatur 17,8 K und der spezifische Matrixwiderstand 1,6 x 10&supmin;&sup8; Ohm cm. Jedoch, wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld dieses Beispiels unterschiedlich zu denen von den Beispielen 1 und 2, d.h., sie sind niedriger als die für die Beispiele 1 und 2 und höher als die in einem herkömmlichen Verfahren bei hohen Magnetfeldern oberhalb von 14 T, und der Abfall in der Dichte des kritischen Stroms ist geringer als der bei den Beispielen 1 und 2, selbst bei einem Magnetfeld in der Nähe von 20 T. Diese Unterschiede in den Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld sind der Menge an Nb&sub3;Al- Zusammensetzung, Abweichung von ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung, Kristallkorngröße von Nb&sub3;Al, etc. zuzuschreiben. Auf jeden Fall konnte ein elektromagnetisch stabiler Nb&sub3;Al- Mehrfasersupraleitungsdraht, der mit einem elektromagnetisch stabilisierenden Metall überzogen ist und eine hohe Stromdichte aufweist, die groß genug ist, um bei der praktischen Verwendung einem hohen Magnetfeld standzuhalten, erhalten werden. kaltgezogen, der einen Außendurchmesser von 0,2 mm hat, bei Zimmertemperatur. Dieses Kaltziehen oder plastische Deformieren konnte durchgeführt werden, da das Kernmaterial des zusammengesetzten Mehrkerndrahts eine Nb&sub3;Al-übersättigte, feste Lösung anstelle einer intermetallischen Verbindung des A-15-Typs wurde. Danach wurde der mit Silber überzogene, zusammengesetzte Mehrkerndraht bei 850ºC für 10 Stunden unter Vakuum zum Abscheiden einer Nb&sub3;Al-intermetallischer Verbindung aus der Nb- Al-übersättigten, festen Lösung erhitzt, um den mit Silber überzogenen Nb&sub3;Al-Mehrfasersupraleitungsdraht zu erhalten.
  • Ahnlich wie bei den Beispielen 1 und 2 wurde die kritische Temperatur und die Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld der Proben und der elektrische Widerstand der Matrix gemessen, und ähnliche Resultate wie für das Beispiel 1 wurden erhalten, beispielsweise, ist die kritische Temperatur 17,8 K und der spezifische Matrixwiderstand 1,6 x 10&supmin;&sup8; Ohm cm. Jedoch, wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld dieses Beispiels unterschiedlich zu denen von den Beispielen 1 und 2, d.h., sie sind niedriger als die für die Beispiele 1 und 2 und höher als die in einem herkömmlichen Verfahren bei hohen Magnetfeldern oberhalb von 14 T, und der Abfall in der Dichte des kritischen Stroms ist geringer als der bei den Beispielen 1 und 2, selbst bei einem Magnetfeld in der Nähe von 20 T. Diese Unterschiede in den Charakteristiken der kritischen Stromdichte gegen das Magnetfeld sind der Menge an Nb&sub3;Al- Zusammensetzung, Abweichung von ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung, Kristallkorngröße von Nb&sub3;Al, etc. zuzuschreiben. Auf jeden Fall konnte ein elektromagnetisch stabiler Nb&sub3;Al- Mehrfasersupraleitungsdraht, der mit einen elektromagnetisch stabilisierenden Metall überzogen ist und eine hohe Stromdichte aufweist, die groß genug ist, um bei der praktischen Verwendung einem hohen Magnetfeld standzuhalten, erhalten werden.
  • Beispiel 5
  • Fig. 6 zeigt Hauptkomponenten einer Vorrichtung zum Herstellen eines Nb&sub3;Al-Supraleitungsdrahts nach der gegenwärtigen Erfindung. Ein langer, zusammengesetzter Mehrkerndraht 15, der aus einer großen Anzahl von Al-Legierungskerndrähten und einer Nb- Matrix besteht und um eine Spule 14 gewickelt ist, passiert durch ein Bad 16 eines geschmolzenen Stabilisierungsmetalls und ein Kühlbad 17 und wird um eine Wicklungsspule 18 gewikkelt. Eine Vorrichtung 11 zum Beschichten eines geschmolzenen Metalls weist eine Vakuumpumpe 12 und einen Zylinder 13 für ein inertes Gas auf, um den Druck in der Atmosphäre 19 für das geschmolzene Metall zu steuern. Die Temperatur zum Aufheizen des Bads 16 des geschmolzenen Metalls ist abhängig von der strukturellen Stabilität einer Nb&sub3;Al-Zusammensetzung und der Benetzbarkeit des geschmolzenem Stabilisierungsmetalls mit der Nb&sub3;Al-Zusammensetzung gewählt und benötigt zumindest 1200ºC oder höhere Temperaturen, und der Druck der Atmosphäre 19 ist abhängig von einer Art des Stabilisierungsmetalls und einer Aufwärmtemperatur gewählt und benötigt eine inerte Gasatmosphäre von 0,1013 bar (0,1 oder mehr Atmosphärendruck). Ein Ga-In-eutektisches Legierungsbad oder eine Vielzahl von Salzbädem sind für das Kühlbad ausgewählt worden, um den Supraleitungsdraht schnell von 1200ºC oder höheren Temperaturen auf eine Temperatur in einem Bereich von 700 bis 800ºC abzukühlen.
  • Industrielle Verwertbarkeit
  • Wie oben beschrieben, kann die gegenwärtige Erfindung einen Nb&sub3;Al-Supraleitungsdraht liefern, der eine ultrafeine Mehrkernstruktur aufweist, die mit einem elektromagnetisch stabilisierenden Material beschichtet ist und eine hohe Stromdichte bei einem hohen Niveau eines Magnetfeldes, wie 20 Tesla, aufweist, und somit den folgenden Effekt aufweist.
  • Da dieser supraleitende Draht eine hohe Stromdichte bei einem hohen Niveau eines Magnetfeldes, wie 20 T, aufweist, was unmöglich gewesen ist, zu realisieren, bei Verwendung nur eines supraleitenden Magnets, kann ökonomisch unter Einsatz einer Vorrichtung eines kleineren Typs hergestellt werden. Zusätzlich hat der gegenwärtige Supraleitungsdraht eine Mehrfaserstruktur, die mit einem elektromagentisch stabilisierenden Material überzogen ist, so daß ein hohes Niveau eines Magnetfeldes, wie 20 T, in einer kurzen Zeit ohne Überführung in die normale Leitfähigkeit stabil erzeugt werden, wodurch ermöglicht wird, eine ökonomische Vorrichtung mit einem reduzierten Verbrauch an flüssigem Helium zu liefern.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahts (5), umfassend die Schritte des Kaltziehens eines Al- oder Al- Legierungskernmaterials und einer Nb-Matrix (8) in einen zusammengesetzten Mehrkerndraht; und des Eintauchens des zusammengesetzten Mehrkerndrahts in ein geschmolzenes Metall, wodurch der Draht wärmebehandelt wird, um eine stöchiometrische Zusammensetzung aus Nb&sub3;Al (7) zu bilden, und der Draht mit dem Metall (6) simultan beschichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser oder eine Dicke des Kernmaterials 0,1 bis 10 µm beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht schnell gekühlt wird, nachdem er in das geschmolzene Metall bei mehr als 1200ºC eingetaucht worden ist, und zusätzlich bei 700 bis 950ºC wärmebehandelt wird.
4. Verfahren nach irgendeinen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer, eine Kupferlegierung, Silber oder eine Silberlegierung ist.
5. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall bei einer konstanten Temperatur unter einem inerten Gas bei zumindest 0,1013 bar (10% des Luftdrucks) gehalten wird.
6. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch das Verbinden einer Vielzahl der beschichteten Drähte zu einem Integral- oder Litzenprodukt.
7. Vorrichtung geeignet zur Verwendung in einem Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahts nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, die entsprechende Spulen (18, 14) zum Abnehmen und Aufwickeln des Drahts, Führungsrollen zum Führen des Drahtes in einem geschlossenen Glied (11), das ein Zuführ mittel (13) für inertes Gas und ein Vakuumpumpmittel (12) enthält, und ein Bad für geschmolzenes Metall (16) sowie ein Kühlbad (17), die in Reihe zwischen den Führungsrollen angeordnet sind, umfaßt.
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